車(chē)銑復(fù)合技術(shù)在航空零件制造中的應(yīng)用研究

陳征 劉峻宇 張?jiān)?/p>

摘? 要：隨著“中國(guó)制造2025”和“德國(guó)工業(yè)4.0”的提出，先進(jìn)制造技術(shù)發(fā)展進(jìn)入快車(chē)道，車(chē)銑復(fù)合加工技術(shù)在航空制造中所占比例逐年增加。該文通過(guò)和傳統(tǒng)加工工藝對(duì)比，介紹車(chē)銑復(fù)合技術(shù)的先進(jìn)性和創(chuàng)新性，以航空發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇轉(zhuǎn)子單元體中的風(fēng)扇軸頸為載體，制定合理的工藝流程，優(yōu)化工藝參數(shù)，提高加工效率，為復(fù)雜高精度零件的先進(jìn)加工技術(shù)提供參考。

關(guān)鍵詞：車(chē)銑復(fù)合;制造技術(shù);加工工藝;工藝參數(shù)

中圖分類(lèi)號(hào)：TH162? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

1 車(chē)銑復(fù)合技術(shù)特點(diǎn)簡(jiǎn)介

車(chē)銑復(fù)合技術(shù)是在傳統(tǒng)加工技術(shù)上發(fā)展而來(lái)的智能化加工技術(shù)，是加工領(lǐng)域目前比較流行和前沿的加工方式之一。車(chē)銑復(fù)合加工中心集車(chē)床和銑床的功能于一體，能夠在一臺(tái)設(shè)備上完成不同工序或不同加工方法，在形狀復(fù)雜，精度要求高的零件中更具加工優(yōu)勢(shì)。

與傳統(tǒng)加工工藝相比，車(chē)銑復(fù)合加工技術(shù)具有以下優(yōu)勢(shì)：

（1）減少零件工序間周轉(zhuǎn)時(shí)間：傳統(tǒng)工藝中，零件需在車(chē)床—銑床間反復(fù)周轉(zhuǎn)，每次周轉(zhuǎn)后均需在機(jī)床前排隊(duì)等待加工，造成大量時(shí)間浪費(fèi)，無(wú)形中增加零件研制周期，而車(chē)銑復(fù)合加工中心就可以解決此類(lèi)問(wèn)題，車(chē)削和銑削能夠安排在同一道工序加工，從而消除零件工序間周轉(zhuǎn)時(shí)間。

（2）降低加工成本：航空零部件制造精度要求高，每道機(jī)加工序幾乎均需要制造專(zhuān)用夾具用于裝夾零件，專(zhuān)用夾具制造成本高。車(chē)銑復(fù)合加工中心可以減少使用昂貴而復(fù)雜的夾具，尤其是新品研制階段，大大降低研制費(fèi)用。

（3）提高零件加工質(zhì)量和效率：傳統(tǒng)工藝中，零件需在不同機(jī)床上反復(fù)裝夾拆卸，加工誤差累積得越來(lái)越大，而車(chē)銑復(fù)合加工中心就可通過(guò)一次裝夾，加工出零件的車(chē)銑所有特征，裝夾次數(shù)的減少可避免由于零件定位基準(zhǔn)改變?cè)斐傻睦鄯e誤差，同時(shí)也減少了工序準(zhǔn)備期間的人工干預(yù)，提高了零件的加工精度和效率。

2 軸頸工藝流程分析

航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造是衡量一個(gè)國(guó)家工業(yè)水平高低的重要指標(biāo)之一，車(chē)銑復(fù)合技術(shù)在該領(lǐng)域的應(yīng)用具有很大的優(yōu)勢(shì)，特別是對(duì)一些復(fù)雜的零件加工優(yōu)勢(shì)更加明顯，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子制造則需要大量的資金和技術(shù)投入。發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子一般由鈦合金和高溫合金制造而成，鈦合金和高溫合金均屬于難加工材料，所以發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子制造更是對(duì)加工工藝提出了更高的要求，風(fēng)扇軸頸是航空發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇單元體中的重要承力零件之一，具有大型面軸身、深孔、螺紋、環(huán)槽、高精度螺栓連接孔、斜孔等結(jié)構(gòu)，并且很多尺寸加工過(guò)程中無(wú)法直接測(cè)量，增加了加工難度。加工過(guò)程中刀具與零件易發(fā)生干涉，配合尺寸和技術(shù)條件設(shè)計(jì)精度高，具有零件價(jià)值大、工藝復(fù)雜、材料去除量大、加工難度大和制造周期長(zhǎng)的特點(diǎn)。由于軸頸的直徑尺寸一般不會(huì)超過(guò)φ300 mm，所以更適合在小型車(chē)銑復(fù)合加工中心加工。

在傳統(tǒng)加工制造中，軸頸的工藝流程至少包括車(chē)加工零件大端→車(chē)加工零件小端→銑加工零件大端→銑加工零件小端→加工中心加工零件斜孔等五道工序，工序繁雜，需要頻繁更換設(shè)備和更換加工操作者，同時(shí)也增加了零件檢測(cè)次數(shù)和檢測(cè)時(shí)間，五道工序的加工時(shí)間至少需要耗費(fèi)6天時(shí)間，導(dǎo)致零件加工周期長(zhǎng)且占用大量工廠設(shè)備資源，給工廠生產(chǎn)安排造成很大困難。采用車(chē)銑復(fù)合加工技術(shù)后，零件的工藝流程則可以改善為車(chē)銑零件大端→車(chē)銑零件小端兩道工序，且兩道工序均可在同一臺(tái)車(chē)銑加工中心上進(jìn)行，加工完成后零件只需要進(jìn)行一次三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)自動(dòng)檢測(cè)評(píng)價(jià)，縮短了大量加工和檢測(cè)時(shí)間。精簡(jiǎn)工藝流程，減少設(shè)備占用率，且加工和檢測(cè)時(shí)間基本可以控制在3天以?xún)?nèi)，相比傳統(tǒng)工藝路線(xiàn)，提高效率50%以上。

3 軸頸車(chē)銑加工過(guò)程分析

軸頸內(nèi)外型面精加工均安排在車(chē)銑復(fù)合加工中心進(jìn)行，通過(guò)編制無(wú)人工干預(yù)數(shù)控程序，盡量減少零件加工中的人為干預(yù)，完成零件加工。由于軸頸大端形狀比較簡(jiǎn)單且利于裝夾，小端結(jié)構(gòu)復(fù)雜裝夾困難，所以先進(jìn)行零件大端的加工。加工零件大端時(shí)，夾緊零件小端，再通過(guò)機(jī)床主軸交換功能，夾緊零件大端，加工零件小端。此過(guò)程無(wú)需人工拆卸零件，均由機(jī)床自動(dòng)完成，減少了人工操作，進(jìn)一步提高了零件加工精度和產(chǎn)品的一致性。

（1）車(chē)銑加工軸頸大端：加工零件大端時(shí)，通過(guò)副主軸側(cè)扇爪夾緊零件小端，完成零件大端精加工，考慮到材料去除量大引起應(yīng)力釋放，為減小加工過(guò)程中的零件變形，零件的車(chē)加工順序可按“粗車(chē)軸頸大端內(nèi)外型面→精車(chē)軸頸大端內(nèi)外型面”進(jìn)行，零件型面加工后進(jìn)行細(xì)節(jié)特征加工，象車(chē)環(huán)槽等。零件大端端面具有高精度螺栓連接孔，考慮到鉆孔會(huì)造成大量材料去除導(dǎo)致應(yīng)力釋放，本工序采用螺旋銑孔技術(shù)進(jìn)行“粗銑端面孔→精銑端面孔→鉸孔”。螺旋銑孔技術(shù)是一種小切深、高進(jìn)給的加工手段，銑刀沿著孔中心線(xiàn)螺旋進(jìn)刀，達(dá)到快速切削零件材料的目的，相比傳統(tǒng)非標(biāo)鉆頭鉆孔，螺旋銑孔切深更小，刀具成本更低，排屑空間更大，能獲得更高質(zhì)量的孔。螺旋銑孔具有降低刀具磨損、延長(zhǎng)刀具使用壽命、縮短加工時(shí)間的優(yōu)勢(shì)（對(duì)該工序，單孔加工時(shí)間約40 s），且能獲得更好的表面粗糙度，使孔加工變得更加經(jīng)濟(jì)、高效。

（2）車(chē)銑加工軸頸小端：零件小端內(nèi)腔較深，必然會(huì)使刀具懸伸過(guò)長(zhǎng)，削弱刀具剛性，且很難避免加工過(guò)程中的讓刀現(xiàn)象。為了符合圖紙技術(shù)條件要求，使零件兩端的一致性更好，減少零件加工過(guò)程中的人工干預(yù)，完成零件大端加工后，通過(guò)機(jī)床主副主軸交換功能，主軸側(cè)扇爪夾緊零件大端，副主軸側(cè)扇瓜釋放零件，為進(jìn)行零件小端車(chē)銑加工做好準(zhǔn)備。零件小端結(jié)構(gòu)復(fù)雜，具有環(huán)槽、深孔、螺紋和斜孔等難加工結(jié)構(gòu)，該工序采用和加工零件大端同樣的加工方式，加工順序按“粗車(chē)軸頸小端內(nèi)外型面→精車(chē)軸頸小端內(nèi)外型面”進(jìn)行。型面加工完成后，進(jìn)行細(xì)節(jié)特征車(chē)削，象車(chē)環(huán)槽、車(chē)螺紋等。航空零件中的螺紋與普通螺紋相比，精度更高，加工難度更大。從提高零件質(zhì)量和加工效率的角度出發(fā)，本工序按“粗車(chē)螺紋→標(biāo)定螺紋直徑尺寸→精車(chē)螺紋“順序進(jìn)行加工，一次加工合格，相比傳統(tǒng)依靠操作者手動(dòng)多次上刀的方式，提高螺紋加工效率顯著，同時(shí)也降低了操作者的出錯(cuò)概率。零件小端所有的車(chē)削完成后，進(jìn)行銑槽、加工斜孔等銑削加工。斜孔加工是該工序難點(diǎn)，由于斜孔直徑小，孔徑公差嚴(yán)，加工時(shí)小直徑鉆頭特別容易打刀，造成刀具取出困難，嚴(yán)重時(shí)將導(dǎo)致零件報(bào)廢。考慮到以上難點(diǎn)，采用φ2銑刀以螺旋銑孔的方式銑孔，銑孔可以為鉸孔留有0.1 mm～0.2 mm的余量，銑孔時(shí)機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速可達(dá)5 000 r/min～6 000 r/min，進(jìn)給可達(dá)150 mm/min-200 mm/min，最后通過(guò)鉸刀精鉸，完成斜孔加工。

4 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)該文的研究，車(chē)銑復(fù)合技術(shù)在航空零件制造中的優(yōu)勢(shì)顯著。通過(guò)采用車(chē)銑復(fù)合加工技術(shù)，改變傳統(tǒng)車(chē)銑工序分離的加工工藝，減少零件工序間周轉(zhuǎn)和二次裝夾時(shí)間，減少設(shè)備占用率，能夠提高零件加工效率。同時(shí)，在車(chē)銑復(fù)合加工中心中可與螺旋銑孔技術(shù)相結(jié)合，通過(guò)采用無(wú)人工干預(yù)數(shù)控程序，優(yōu)化走刀軌跡，使人工干預(yù)量達(dá)到最小，刀具使用壽命最大化，降低刀具成本的同時(shí)也能使零件質(zhì)量得到控制。該文的加工經(jīng)驗(yàn)可為復(fù)雜高精度軸頸類(lèi)零件的先進(jìn)加工技術(shù)提供參考。

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